CC BY
64
УДК 621 Исаев Александр Иванови ч,
д-р техн. наук, профессор, Иркутский филиал Московского государственного технического
университета гражданской авиации, тел. 89149383927 Сафарбаков Андрей Мирсасимович, канд. техн. наук, доцент ИрГУПС, тел. 89148874327, e-mail: safarbakov@yandex.ru Богданович Денис Васильевич, к. ф.-м. н., доцент, Иркутский филиал Московского государственного технического
университета гражданской авиации, тел.: 89149412998
Майрович Юрий Игоревич, соискатель, Иркутский филиал Московского государственного технического
университета гражданской авиации
ИМПУЛЬСНАЯ КАМЕРА СГОРАНИЯ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ
A.I. Isaev, A.M. Safarbakov, D. V. Bogdanovich, Y.I. Mairovich
THE GAS TURBINE ENGINE PULSE COMBUSTOR
Аннотация. Газотурбинные двигатели, применяемые в авиации, имеют повышенные расходы топлива и вызывают большой выброс в атмосферу вредных веществ. Для повышения экономичности и снижения выбросов вредных веществ газотурбинных двигателей предложено камеру сгорания непрерывного действия заменить на импульсную камеру сгорания. В статье рассмотрены вопросы аэродинамики импульсной камеры сгорания газотурбинного двигателя.
Ключевые слова: газотурбинный двигатель, импульсная камера сгорания, завихритель, зона обратных токов, обратный клапан.
Abstract. Gas turbine engines used in aviation have excessive fuel consumption and cause high emissions of pollutants. To increase economy and lower emissions of harmful substances it is proposed to replace the turbine engine combustion chamber by a continuous pulse combustor. The questions of the gas turbine engine pulse combustor aerodynamics are considered.
Keywords: gas turbine engine, pulse combus-tor, vorticity solvent, zone of reverse flow, check valve.
Существует много типов камер сгорания (КС) для газотурбинных двигателей, существенно различающихся по размерам, схемам и способам подачи топлива. Однако всем камерам сгорания присущи общие аэродинамические характеристики. Так, для всех КС воздух из-за компрессора поступает в жаровую трубу через фронтовое устройство, выполненное в виде топливной форсунки и завихрителя вокруг нее. В диффузорах и кольцевых каналах камер сгорания следует уменьшать
скорость потока и распределять воздух по всем зонам горения в заданных количествах, поддерживая одинаковые условия течения без паразитных отрывных зон и связанных с ними потерь давления. Внутри жаровой трубы необходимо обеспечить существование большой циркуляционной зоны или зоны обратных токов (ЗОТ) для стабилизации пламени, эффективное разбавление продуктов сгорания и экономичное использование воздуха, охлаждающего стенки.
Импульсная камера сгорания представляет собой трубчатую КС, у которой фронтовое устройство выполнено в виде обратного клапана, служащего для обеспечения импульсной подачи воздуха в жаровую трубу из-за компрессора (рис. 1).
Воздух, попадая во входное устройство КС, проходит через профилированные отверстия в седле обратного клапана и попадает в диффузор. Скорость его при этом существенно уменьшается. Далее воздушный поток упирается в тарельчатый клапан, смещает его вдоль оси, открывая проход в КС, и зажимает возвратную пружину. В данном случае тарелка обратного клапана является плохо обтекаемым телом, которое создает зону обратных токов в камере сгорания (рис. 2). В этом случае ЗОТ находится внутри кривой ОВС. Точку В называют точкой торможения. С внешней стороны от линии ОВС находится основной поток, который поддерживает циркуляционное движение вдоль сплошной границы ОВС. Следовательно, максимальное значение напряжения сдвига, характеризующего циркуляционное течение в ЗОТ, соответствует точке О и С. Вдоль потока, по длине КС, все составляющие скорости уменьшаются. За точкой торможения В возвратного течения нет, а
Информатика, вычислительная техника и управление. Приборостроение. Метрология. Информационно-измерительные приборы и системы
12 3 4
Рис. 1. Фотография и схема фронтового устройства импульсной камеры сгорания: 1 - возвратная пружина, 2 - седло обратного клапана, 3 - диффузор, 4 - тарельчатый клапан
далее по потоку происходит обыкновенное турбулентное течение, которое выносит вещество из КС.
В данном случае размер зоны обратных токов во многом зависит от формы тарелки клапана, от скорости воздушного потока и от площади проходного сечения между диффузором камеры сгорания и тарелкой клапана.
В результате проведения экспериментальных исследований установлено, что в случае обтекания потоком тарелки обратного клапана зона обратных токов занимает по длине камеры сгорания от 0,8 до 1,1 DK (фото 1, 2), где Бэкв (диаметр эквивалентный) - характерный линейный размер, к которому относятся все другие линейные величины DK = DT , DT - диаметр тарелки клапана.
Процессы образования топливо-воздушной смеси (ТВС) в камере сгорания играют важную роль в зонах горения и разбавления. Хорошее смешение ТВС в первичной зоне горения необходимо для обеспечения высоких скоростей горения и минимизации образования сажи и окислов азота,
а хорошее смешение продуктов горения с воздухом в зоне разбавления существенно для обеспечения равномерности температуры газов в выходном сечении камеры. К сожалению, хорошее смешение газов требует значительных длины камеры и потерь давления. Следовательно, при проектировании импульсной камеры сгорания необходимо осуществить удовлетворительное перемешивание ТВС по всей ее длине для обеспечения устойчивого горения с минимальными потерями давления и при минимальной длине камеры.
Основным требованием к импульсной камере сгорания является стабилизация пламени в широком диапазоне режимов работы двигателя. На устойчивость горения определяющее влияние оказывает структура течения в первичной зоне камеры. В этой зоне должно быть наличие торроидаль-ного циркуляционного течения или зон обратных токов, которые вовлекают в себя часть продуктов сгорания и перемешивает их с поступающим воздухом и топливом. Эта зона непрерывно пополняется свежим воздухом, который подается в жаровую трубу через обратный клапан.
иркутским государственный университет путей сообщения
Фото 1. Зона обратных токов за тарельчатым клапаном
Увеличить длину зон обратных токов в КС можно при помощи установки завихрителя. За-вихритель представляет собой устройство, имеющее элементы, закручивающие воздух или топ-ливно-воздушную смесь для осуществления процесса горения в камере сгорания (ГОСТ 23851-79). В данном случае в качестве элементов, закручивающих воздух, применяются профили, передняя часть которых ориентирована по направлению воздушного потока, выходящего из компрессора высокого давления, а концевик имеет угол закрутки, позволяющий завихрить поток.
Одним из наиболее эффективных способов создания ЗОТ в первичной зоне является использование завихрителя в головной части камеры вокруг топливной форсунки. В импульсной КС за-вихритель устанавливается следом за диффузором по всей окружности обечайки жаровой трубы (рис. 3, фото 3).
Рис. 3. Схема завихрителя. Показаны только три лопатки: д - угол выхода из завихрителя; с - хорда лопатки; 5 -
шаг установки лопаток; 2 - высота лопатки завихрителя; Овт - внутренний диаметр завихрителя;
А... - внешний диаметр завихрителя под обечайку жаровой трубы
Фото 2. Турбулентное течение за точкой полно го торможения
Фото 3. Завихритель
Образование вихря в закрученных течениях приводит к образованию ЗОТ в центральной области потока, если сообщаемая закрутка становится большой. Циркуляционная зона, создаваемая таким образом, обеспечивает лучшее перемешивание газов, чем в других способах (например, при помощи плохо обтекаемых тел), так как вращательные составляющие скорости создают области сильного сдвига течения с высоким уровнем турбулентности и большой скоростью массообмена. Это свойство закрученных течений используется на практике для повышения устойчивости и интенсивности горения. Зоны обратных токов в этом случае имеют большую протяженность по длине камеры сгорания (рис. 4).
При проведении экспериментальных исследований по выявлению аэродинамических характеристик импульсной камеры сгорания были выявлены факторы, которые оказывают существенное влияние на размеры зоны обратных токов. Это:
- угол выхода из завихрителя д ;
- высота лопаток завихрителя г ;
- шаг установки лопаток на малых углах выхода из завихрителя 5 ;
Информатика, вычислительная техника и управление. Приборостроение. Метрология. Информационно-измерительные приборы и системы
ш
Рис. 4. Импульсная - площадь входа воздуха в камеру сгорания
F„
- площадь выходного сечения из камеры сгорания ^.
Эксперимент по выявлению аэродинамических характеристик импульсной КС проводился в гидробассейне. Рабочее тело - вода. В качестве исследуемого образца был изготовлен макет импульсной КС с соблюдением геометрического подобия. При проведении эксперимента соблюдались кинематическое и динамическое подобие. Кинематическое подобие построено на подобии полей скоростей и геометрическом подобии линий тока во всей области рассматриваемого течения. Динамическое подобие построено на соблюдении равенства отношений векторов сил в сходственных точках в сходственные моменты времени.
Течение жидкости в макете КС визуализировалось посредством введения подкрашенной жидкости в поле течения.
Эксперимент проводился путем изменения одного из параметров при фиксированных значениях других параметров. При проведении экспериментальных исследований изменялся параметр угла выхода из завихрителя в при фиксированных значениях параметров высоты лопаток завихрите-ля г , шага установки лопаток на малых углах выхода из завихрителя 5, площади входа воздуха в камеру сгорания ^^, площади выходного сечения
из камеры сгорания Гвых.
Экспериментальные исследования для получения качественной картины течения в импульсной камере сгорания проводились следующим образом. Через модель камеры сгорания при определенном значении всех влияющих на структуру течения параметрах задавался определенный расход жидкости Св . При помощи подкрашенной жидкости визуализировались поля течений и выявлялись геометрические размеры ЗОТ. Затем изменялся параметр угла выхода из завихрителя и исследова-
камера сгорания с завихрителем
ния продолжались. Для проведения эксперимента были изготовлены завихрители с углами выхода 30, 45, 60, 70 и 80 градусов.
В результате проведенных исследований установлено, что все типы перечисленных завихри-телей создают ЗОТ по всей длине камеры сгорания. Структура течения при этом несколько отличается от структуры течения в КС, где фронтовое устройство выполнено в виде топливной форсунки и завихрителя вокруг нее. В отличие от таких КС, в импульсных существует протяженная по всей длине КС зона кольцевого течения (фото. 4). Под зоной кольцевого течения по всей длине камеры сгорания располагается ЗОТ (фото. 5, 6), и внутри нее примерно по оси КС существует срединный вихрь, который выносит из КС вещество (фото 7). При таком расположении завихрителя в КС точки полного торможения потока не существует. Так как невозможно найти точку полного торможения потока, а ЗОТ существует по всей длине КС, то геометрические характеристики ЗОТ необходимо оценивать по площади, занимаемой по длине КС.
Фото. 4. Кольцевое течение
иркутский государственный
Фото. 5. Зона обратных токов на удалении 3 см от завихрителя
Фото. 6. Зона обратных токов на удалении 20 см от завихрителя
Фото. 7. Срединный вихрь выносящий вещество
При проведении экспериментальных исследований была оценена площадь ЗОТ по длине камеры сгорания для установленных типов завихри-телей (рис. 5).
Анализируя данный график, можно заметить, что площадь ЗОТ больше у фронтового устройства камеры сгорания. Объяснить это можно значениями скоростей кольцевого течения потока, вышедшего из завихрителя. Чем больше скорость кольцевого течения, тем больше напряжение сдвига, тем интенсивнее циркуляционное течение в застойной зоне, тем больше площадь ЗОТ. По мере удаления от фронтового устройства площадь циркуляционного течения уменьшается. Связано это с уменьшением значения скоростей в кольцевом течении вдоль камеры сгорания. Уменьшается напряжение сдвига, тем самым снижается интенсивность циркуляционного движения, и снижается площадь ЗОТ. Аналогичные графики построены
Рис. 5. Площадь ЗОТ для завихрителя с углом выхода 30 градусов
Информатика, вычислительная техника и управление. Приборостроение. Метрология. Информационно-измерительные приборы и системы
1.5 1.4 1.3 1.2 1.1 1
0.Э
площадь ЗОТ .3 см2 S вх=1.5 сг л2 г=1.5
5вых=5 ;м
угол выхода 3; авихригел я
20 30 40 50 60 70 80 80 Рис. 6. Влияние угла выхода из завихрителя на площадь ЗОТ
для завихрителей 45, 60, 70 и 80 градусов. Отличие их заключается в различном значении площадей зон обратных токов. Обобщая данные графики, можно построить график влияния угла выхода из завихрителя на площадь зон обратных токов (рис. 6). Анализ данного графика показывает, что наибольшей площадью зон обратных токов обладает КС, в которой угол выхода из завихрителя в соответствует 60 градусам.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Лефевр А. Процессы в камерах сгорания ГТД : пер. с англ. - М. : Мир, 1986. - 566 с. : ил.
2. Нечаев Ю. Н. Теория авиационных двигателей. - М. : Воениздат, 1990.
3. Kilik Е. The Influence of Swirier Design Parameters on the Aerodynamics of the Downstream Recirculation Region / Ph.D. thesis, School of Mechanical Engineering ; Cranfield Institute of Technology. - England, 1976.
УДК 66.021 Васильев Артем Виниаминович,
аспирант кафедры машин и аппаратов химических производств Ангарской государственной технической академии, e-mail: art9am@gmail
Бальчугов Алексей Валерьевич, д-р техн. наук, доцент, заведующий кафедрой машин и аппаратов химических производств Ангарской государственной технической академии, e-mail: balchug@mail.ru
РАЗРАБОТКА НОВОЙ РЕГУЛЯРНОЙ НАСАДКИ С ЭФФЕКТОМ ЭЖЕКТИРОВАНИЯ ДЛЯ ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ
A. V. Vasiliev, A. V. Balchugov
DEVELOPMENT OF A NEW REGULAR PACKING WITH EJECTION EFFECT FOR HEAT AND MASS TRANSFER
PROCESSES
Аннотация. Разработана новая регулярная насадка с эффектом эжектирования для тепло- и массообменных процессов. Исследовано взаимодействие потоков газа и жидкости на новой насадке. Показано, что в предлагаемой насадке создаются благоприятные условия для протекания процессов тепло - и массообме-на.
Ключевые слова: насадка, массообмен, эжектирование.
Abstract. New regular packing with ejection effect for heat and mass transfer processes was de-
veloped. Influence of the interaction of gas and liquid in the new packing was investigated. It is shown, that in the new packing favorable conditions for the foresight of heat and mass transfer are created.
Keywords: packing, mass transfer, ejection.
Предлагаемое изобретение относится к конструкциям регулярных насадок, применяемых для проведения тепло- и массообменных процессов в системе газ (пар) - жидкость, таких
